专利名称：由高折射率玻璃组成的led提取器的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及发光二极管(LED)，具体地讲涉及用于提取LED晶粒 中产生的光的光学部件或元件。
背景技术：
LED是理想的光源，这在一定程度上是因为它们具有相对较小的尺寸、 较低的功率/电流要求、快速的响应时间、较长的使用寿命、牢固的封装、多 种可选的输出波长并兼容现代电路结构。这些特性有助于解释过去数十年 中，它们得以广泛应用于多种不同的最终应用场合的原因。对LED的功效、 亮度和输出波长方面的改进一直在持续进行，这进一步扩大了潜在的最终应 用范围。
LED通常以封装形式销售，封装中包括安装在金属接头上的LED晶粒 或芯片。所述接头可配有反射杯，杯中装配LED晶粒，电引线连接到LED 晶粒。某些封装也包括模制的透明树脂，形成胶囊包封LED晶粒。胶囊包 封树脂可以具有在局部使晶粒射出的光保持平行的标称的半球形前表面，或 者具有标称的平坦表面。除树脂外，其它材料也已经被建议作为胶囊包封本 体，本文称之为封壳。例如，美国专利3,596,136 (费希尔(Fischer))讨论了 具有圆顶盖的LED，这些LED由某些玻璃制成；这些玻璃包含19重量。/。到 41重量％的砷、10重量％到25重量％的溴，以及28重量％到50重量％的硫 或65重量％到70重量％的硒。费希尔报告了至少一种折射率为约2.4的黄 色玻璃，另一种折射率在2.5和2.7之间的红色玻璃，以及又一种折射率为 约2.9的黑色玻璃。
利用单独制造的光学元件，使其接触或靠近LED晶粒的表面，以耦合 或"提取"该表面处的光和减少被限制在晶粒内的光的量也是已知的。本文将这种元件称为提取器。提取器的输入面通常具有特定尺寸和形状，以和 LED晶粒的发射表面大体配合。
LED在形成LED晶粒的高折射率半导体材料内产生光。如果晶粒浸在 空气中，半导体和空气之间大的折射率失配将导致在晶粒内传播的许多光在 晶粒/空气界面被全内反射。只有以与此界面相连的相对狭窄的逸出锥内的角 度传播的光可以折射进入空气并逸出晶粒。逸出锥的半角是熟知的此界面的 临界角。因此，晶粒产生的许多光被浪费，从而LED可达到的亮度受到损 失。
封壳和提取器均可用于减少被浪费的光的量并且提高亮度。它们通过 在LED晶粒的表面提供透光性材料来完成，此材料的折射率n比空气折射 率更加接近晶粒的折射率，减少了所述界面的折射率失配并且增大了逸出锥 的跨度。n越接近晶粒的折射率，晶粒内被浪费的光就更少，LED就可以达
到更高的亮度。
从实际应用的角度来看，传统的封壳就这一点而言取得的成功是有限 的。封壳几乎完全围绕晶粒，并且由于这种状况和由晶粒产生的热带来的温 度剧变，封壳的选择不仅要考虑其折射率特性，而且还要考虑其热和机械特 性，以避免晶粒在多次温度循环中受到损坏，并且使其能够在暴露于晶粒发 射的高通量时，不发生泛黄或其它形式的劣化。因此，大多数封装的LED 使用的是折射率n仅为约1.4至1.6的专用环氧树脂。这些值大大高于空气 折射率(11=1)，但比大多数LED晶粒的折射率(n"2.3或更高)低很多。因 而，仍有空间进行实质性改进。
当前，提取器在LED中的使用不如封壳广泛，可能是由于首先制造提 取器，然后将其定位在LED晶粒上需要附加的制造步骤，还会带来相关的 花费和复杂性。 一些工作者已经建议使用粘结层将提取器粘结到LED的表 面。参见(如)美国专利申请公布2005/0023545 (卡姆拉斯(Camras)等人)。 这些工作者建议从以下材料形成提取器SiC (报告折射率在500nm处为~2.7)、氧化铝(兰宝石，报告折射率在500nm处为 1.8)、金刚石(报告 折射率在500nm处为~2.4)、立方氧化锆(Zr02)、赛尔纳技术公司提供的氮 氧化铝(A10N)、多晶氧化铝(透明氧化铝)、尖晶石、肖特玻璃LaFN21(Schott glass LaFN21)、肖特玻璃LaSFN35(Schott glass LaSFN35)、 LaF2、 LaF3、和 可得自纽约州安大略欧皮特麦克斯系统公司(Optimax Systems Inc. of Ontario: NY)的LaFlO。还间接提到了 一些其它材料。据信这些材料基本上属于两种 类别中等折射率的玻璃材料(1.5<11<2)，和折射率更高的晶体材料，例如， 金刚石和碳化硅，它们的折射率大大高于2。
发明内容
本专利申请公开了，尤其是一类材料，这类材料已被发现可以弥补LED 提取器制造中重要的欠缺。这类材料具有高折射率(在LED发射波长处n》 2或2.1或2.2或2.3),与已知的晶体材料相似。但与晶体材料不同的是， 本发明所公开的材料是至少初始无定形的玻璃。从而，它们显示具有截然不 同的玻璃化转变温度lg和结晶温度Tx，并且它们可以容易地变形到提取器 或提取器阵列的形状，以在后续过程中与LED晶粒或LED晶粒阵列配合。 优选地，这种变形在低于100(TC的温度下完成。如果需要，所述材料可以经 受热处理，优选地是在将它们变形为一个或多个提取器的形状之后，使得玻 璃材料转化为部分或完全的晶体，称为玻璃陶瓷材料。
本发明所公开的材料优选地包括至少两种不同的金属氧化物，和少量 的常规玻璃形成物，如低于20 (或15、 10、 5、 3、 2或1)重量。/。的Si02、 低于20(或15、 10、 5、 3、 2或1)重量％的8203，以及低于40 (或30、 20、 10、 5、 3、 2或1)重量％的P205。在一些情况下，所述材料包括的整个As203、 Bi203、 Ge02、 NaO、 Te02、 V205、 Si02、 B203和P205化合物群组在玻璃本 体的总重量中所占比例低于20 (或IO、 8、 5、 3、 2或1)重量％。优选地， Tg与Tx相差至少5°C，即Tx^ Tg+5°C。
这些材料制成的提取器可以具有各种不同的形状和尺寸，但是它们优 选地包括至少一个适合与晶粒表面相配合的输入面。例如，如果LED晶粒具有矩形的输出面，提取器的输入面可以也具有矩形形状，其长度和宽度可 以近似于LED晶粒的长度和宽度，如基本上相同或差别不超过其土 10%或 ± 20%。如果晶粒具有平坦的主发射表面，那么提取器的输入面也是平坦的。 可以形成其它的提取器表面，以使让提取的光根据需要改变方向。例如，提 取器可以包括输入面和连接输入和输出面的侧面。输出面可以大于输入面， 并且侧面成角度或成锥形，以便于至少局部地使LED光沿(例如)LED对 称轴这样的轴线准直。在其它情况下，输入面，或侧面如存在，可以成角度， 以将光导向旁边的方向。
根据下面的详细描述，本专利申请的这些方面及其它方面将显而易见。 然而，在任何情况下，以上内容都不应理解为是对受权利要求书保护的主题 的限制，该主题仅由所附权利要求限定，在专利申请过程中可以对其进行修 正。
在整个说明书中都参考了附图，在这些附图中，相同的附图标记表示 相同的元件，其中-
图1为LED提取器/LED晶粒组合的示意性侧视图； 图2-9为可供选择的提取器的示意图IO为提取器阵列和在其中形成LED的晶片的示意图，该图还显示同 时将提取器阵列耦合到LED阵列，以制备多个LED光源或LED光源阵列的 方法；以及
图11A-B描绘的表格显示了某些玻璃的相关特性，表明其中的一些能 够表现出2、 2.1、 2.2和2.3以及更高的折射率。
具体实施例方式
以下具体实施方式
描述了发光二极管(LED)光源。其中，"发光二极管" 或"LED"是指可以发光的二极管，所发出的光可以是可见光、紫外光或红 外光。其包括作为"LED"销售的多种装箱或者封装的半导体器件，可以是 常规或者超辐射类型，以及可以是向前发光或者侧发光类型，后者通常在显示器应用中是有利的。如果LED发出不可见光(如紫外光)，以及在一些 发出可见光的情况下，可以将它与有机或无机荧光粉封装在一起(或者它可 以照亮设置在远处的荧光粉)，以使波长短的光转换为波长稍长的光，在某 些情况下，还可以生成发射白光的装置。"LED晶粒"是LED最基本的形 态，即经半导体加工方法制成的单个元件或芯片。例如，LED晶粒通常是由 一种或多种III族元素的组合和一种或多种V族元素组合形成的(III-V半导 体)。合适的III-V半导体材料的实例包括氮化物(如氮化镓)和磷化物(如 磷化铟镓)。还可以使用其它类型的III-V材料，同样可以使用元素周期表 中其它族的无机材料。元件或芯片可包括电触点，其适于通电为装置供能。 实例包括焊接回流、引线键合、带式自动键合(TAB)、或者倒装键合。该元 件或芯片的各独立层和其它功能元件通常以晶片级形成，并且可将加工好的 晶片切成单个元件，以生成多个LED晶粒。可以用表面贴装、薄芯片直接 贴装或其它已知的贴装构型来构造LED晶粒。
此外，在本专利申请中，除非另外明确指明，以下术语将具有指定的
含义
"非晶态材料"是指缺乏任何经X射线衍射确定的长距离晶体结构， 和/或具有经差热分析(DTA)确定的、与非晶态材料的结晶相同的放热峰的材 料，它们衍生自熔融和/或蒸汽相；
"差热分析"或"DTA"是指这样一种程序，其涉及测量样本与热惰 性参考(诸如A1203)之间随温度的升高的温度差值。取决于惰性参考温度 的温度差坐标图提供了发生在样本中的放热和吸热反应的信息。执行此工序 的示例性仪器为可以以商品名"NETZSCHSTA409 DTA/TGA"得自德国塞 尔巴耐驰仪器公司(Netzsch Instruments, Selb, Germany).合适的量(如 400mg)的样本可以放置于适当的惰性夹持器中(如100ml的八1203样本夹 持器)并且在静止空气中以适当的速率(如10'C/分钟)从初始温度(如室 温或约25r)加热到终点温度(例如1200°C)。
"玻璃"是指显示具有玻璃化转变温度的非晶态无机材料； "玻璃陶瓷"是指通过对玻璃进行热处理形成的材料，该材料为局部或完全的晶体；
"Tg"是指由适当的DTA测试确定的玻璃化转变温度；而 "Tx"是指由适当的DTA测试确定的结晶温度。
现在我们转向最初显示和描述典型的LED提取器、提取器/晶粒组合以 及它们的阵列的图。然后我们讨论优选的高折射率玻璃材料。
提取器
图1描绘了具有输入面12、输出面14和侧面16的LED提取器10。 LED晶粒18靠近输入面12放置，从多个表面包括主发射面20发出光。图 中显示的间隙22将输入面12和发射面20分开。无论是用空气或透明粘结 材料还是其它材料填充，间隙22足够小，以使得提取器10的存在导致一些 在LED晶粒18内本来会被全内反射的光通过折射或受抑全内反射耦合进提 取器。通常，间隙22为大约100、 50或25nm或更小。在其它实施例中，间 隙22可以几乎完全省去。无论哪种情况，输入面12适于与发射面20光学 耦合，以便有效地使光从LED晶粒转移到提取器。
出于简明性考虑，LED晶粒18—般性地示出，但是可以包括本领域中 已知的设计结构。例如，LED晶粒18可以包括截然不同的p型和n型掺杂 半导体层、缓冲层、基底层以及覆盖层。虽然示出的是矩形的LED晶粒构 造，但是还可以想到其它已知的构型，例如LED晶粒可具有可形成截平的 倒锥体的倾斜侧面。出于简明性考虑，未示出LED晶粒18的电触点，但是 可以如已知的那样将其布置在LED晶粒18的任何表面上。优选地，晶粒18 具有"弹动片"构造，其中电触点设置在底部主表面上，以使得与之相对的 表面20可以平坦而无障碍物，易于与提取器的输入面12配合。
提取器IO具有倒转的截平的锥体形状，但是也可以具有其它形状。在 图1的示意图中，侧面16可以表示单个的锥形旋转表面，或带多个小平面 的表面，该侧面将输入面12连接到输出面14。可以通过成形使输入面12 具有容纳电触点的空间，LED晶粒的发射面20上可能有电触点。在许多情况下，发射面20的部分或基本上全部为平坦的和抛光的。在这些情况下， 同样可取的是，提取器的输入面12的对应部分(包括全部)也为平坦的和 抛光的，例如，显示具有小于50nm的或另一个指定公差的表面粗糙度。输 入面12也优选地具有一定大小的横向尺寸和形状，以配合LED发射面，尽 管不需要完全一致。考虑到制造公差，提取器的输入面可以是相对于LED 发射面较小或较大的。例如，提取器输入面的横向尺寸可以大到LED发射 面对应尺寸的110%或120%，或者小到LED发射面对应尺寸的卯％或80%。 选择提取器的尺寸使得提取器的最大横向尺寸(无论是出现在输入面、输出 面还是中间位置)标称地等于对应的LED晶粒横向尺寸也可以是有益的。 在提交于2005年11月22日的共同转让的美国专利申请11/288,071 (莱热达 尔(Leatherdale)等人)(代理人案巻号60914US002)中更为完整地描述了这 种方法，在将包含规则排列的提取器阵列的盘或主体粘结到晶片规模的LED 阵列之后，可以将单独的LED/提取器对剖切或沿相同的切割线切成小块。
由于提取器适于与LED晶粒一起使用，并且LED晶粒的宽度趋于不超 过数个毫米，所以提取器同样趋于相对较小。在不希望限制的情况下，提取 器通常具有1至4或5毫米的总长度，以及位于相同范围并且常常小于长度 的总宽度。
在操作中，LED晶粒18内产生的光从发射面20射出，并且经过间隙 22进入提取器10。提取器10可以粘结到LED或可以在非粘结的构造中， 如2004年10月29日提交的共同转让的美国专利申请10/977,249 (柯洛 (Connor)等人)(代理人案巻号60216US002)中所述。LED晶粒18中使用 的材料具有高折射率，可以导致LED晶粒18内产生的大部分光在晶粒表面 经历全内反射。为了使得这种光更多地逸出，可将发射面20光学耦合到提 取器10的输入面12。加工成为提取器10的高折射率材料将LED晶粒中本 来会以其它方式通过全内反射损失的光提取出来。提取器10的形状特点是， 输入面和输出面沿LED晶粒中心轴设置(其中输出面比输入面宽)，并且 如图所示，侧面为锥形，这种形状至少部分地使收集到的光准直。图l示出 典型的方向倾斜的光线24a在侧面16经全内反射或其他类型的反射，形成了相对于LED中心轴更为准直的反射光线24b。
为了使光提取效率最大化，提取器10的折射率应该与LED晶粒18的 发射面20的折射率精密匹配。但是LED晶粒本身通常由折射率不同的截然 不同的层组成，例如，设置在SiC、 Al203或另一种适合材料的固态基底上的 外延半导体层。在这些情况下，如果LED晶粒18以朝上的构型装配在散热 器(未示出)上，那么发射面20与其中一个半导体层的外表面重合，并且 提取器的折射率优选地匹配于半导体的折射率。另一方面，如果LED以面 朝下的构型(即epi-down或倒装片)装配在散热器上，那么发射面20与基 底重合，并且提取器的折射率优选地匹配于半导体基底的折射率。对于 GaN/Ab03基高亮度LED,折射率要求在约1.75至2.4之间。在III族-磷化 物基半导体情况下，半导体层的折射率可以高达4.0。如上所述，己经建议 用作LED提取器的高折射率材料(n > 2)—般是这样的一些晶体材料，它们 难于加工或形成所需的窄小形状，并且花费也高。
图2示出了另一种LED提取器30的示意透视图。与提取器10相似， 提取器30具有输入面32 (具有与输入面12相似的特性)、输出面34和至 少一个侧面。对于提取器30，侧面由四个截然不同的小面(参见表面36a、 36b)组成，每个小面对应于输入和输出面的多边形形状的每个边。输出面 34的横向尺寸比输入面32的横向尺寸大，并且因此侧面成为锥形，以提供 某些准直特性。
图3示出了另一种LED提取器40的示意透视图，该提取器包括输入面 42 (具有与输入面12相似的特性)、输出面44和侧面46。提取器40与提 取器10相似，但是输入和输出面42、 44清晰地显示出具有弯曲的而不是多 边形的边界，而且侧面46为连续的旋转表面。在一个示例性实施例中，侧 面46的形状为抛物线或抛物面。同样，输出面44比输入面42大，而且侧 面46为锥形，以提供至少部分的准直。
如果需要，可以将锥形提取器的取向翻转，使得输入面比输出面大或宽。在这些情况下，提取器可以采用锥体形式(无论是截平还是非截平，并 且无论具有圆形、椭圆形还是多边形基部)而不是如图1所示的与LED晶 粒耦合的倒转锥体。光从此前称为输出面14、 34、 44的表面进入提取器， 并且可以从此前称为输入面(12、 32、 42)的表面，并且经过侧面16、 32a-b、 46离开提取器。作为另外一种选择，可以将所述锥体制造为在一点终止(即 非截平的)，省去表面12、 32、 42。 2006年5月2日提交的共同转让的美 国专利申请序列号11/381,324(名称为"LED Package With Converging Optical Element"(使用会聚光学元件的LED封装))(代理人案巻号62076US002) 中进一步讨论了这种提取器构造。
图4示出了另一种提取器50的示意性侧视图。提取器50包括输入面 52 (具有与输入面12相似的特性)、输出面54和侧面56。提取器50同样 与提取器10相似，但是输入面54是弯曲的，以便控制发出的光的发散度。 与此前的实施例类似，可以将提取器56模制为一体的光学主体。
图5示出了提取器60的示意性侧视图，该提取器与图4和其它几幅图 所示的提取器相似，但是提取器60具有由连接截然不同的透光性主体或结 构产生的复合构造。提取器60具有输入面62、输出面64和锥形的侧面65。 该提取器包括截然不同的光学主体66、 68，它们沿着配合面66a、 68a粘结 或以其它方式接合在一起，所述配合面优选地(但非必需)是平坦的。可以 使用常规的方式(诸如光学粘接剂、低Tg密封玻璃或反应粘结)进行连接。 主体66、 68可以由具有相似或不同特性的相同或不同的透光性材料制成。 例如，主体68可以是市售的光学玻璃或甚至是聚合物。优选地，提取器最 靠近LED晶粒的部分(而且包含输入面)具有比提取器的其它部分更高的 折射率。因此，在图5的情况下，光学主体66优选地由以下所述的高折射 率玻璃组成，而且主体68可以由以下所述的另一种玻璃或折射率较低的市 售玻璃制成。如果高折射率光学材料(例如以下讨论的其中一种高折射率玻 璃)表现出实质性的散射或吸收，使其不能有效地用于整个提取器，该复合 构造也可以是有帮助的。这种材料可以用在提取器的输入末端，其足够小的 厚度将散射或吸收保持在可接收的程度，然后将其与散射较低或吸收较低的材料相结合，以形成完整的提取器。2004年10月29日提交的共同转让的美 国专利申请10/977,225 (欧德柯克(Ouderkirk)等人)(代理人案巻号 60218US002)中进一步讨论了用于LED的复合提取器。
图6示出了提取器70的示意性侧视图，它与提取器60相似，但是其 中的光学主体68替换为较宽的透镜或主体78，其外表面74变为提取器的输 出面，并且其另一表面78a与主体66的表面66a接合。表面66a的边缘陷入 表面78a的边缘。
图7是另一种提取器80的示意性侧视图。与提取器60和70类似，提 取器80具有复合构造。提取器80包括沿着界面接合在一起的光学主体86、 88。提取器80具有输入面82、输出面84和侧面85，但是如上所述，这些 表面的功能可以改变，取决于选择(和调整)哪个表面来光学耦合或配合LED 晶粒的发射面。优选地，以下讨论的其中一种高折射率玻璃用于提取器光学 主体的输入末端，并且折射率较低(常规的)的玻璃的形成材料(例如硅酸 盐)用于提取器光学主体的输出末端。可以根据它们各自的光学材料的光学、 机械和热特性来选择光学主体86、 88的相对尺寸或厚度，以制备具有可接 收的光学、机械和热特性的提取器。
作为另外一种选择，化合物提取器的其中一个光学主体(如在其输入 末端的)可以包括高热导率的透明的高折射率材料，例如金刚石、兰宝石或 碳化硅。化合物提取器的另一个光学主体(如在其输出末端的)可以包括以 下讨论的其中一种高折射率玻璃材料。这一实施例可以用来有效地耦合来自 LED晶粒的热和光。
图8和9示出了这样的提取器，它们的表面被布置为将来自LED的绝 大部分光的方向改变为边路方向，而不是沿着LED晶粒的中心轴的向前方 向。侧发光LED尤其适合用在液晶面板的薄直下式背光源中，因为它可以 使光在短距离内横向地扩展，避免了显示器整个观察区域的暗区或热点。图8是楔形提取器卯的示意性侧视图。提取器90具有输入面92、输 出面94和侧面96a、 96b。尽管之前描述的提取器的输入和输出面可以但并 非必须互相精确平行，然而在提取器90中，输入和输出面92、 94被设置为 彼此呈90度的角度。
使用这种构造，经输入面92进入的光线98a在侧面96b和/或96a反射 (无论是通过全内反射还是在反射性材料或涂层的帮助下，未示出)，而且 方向改变为光线98b所表示的大约为侧边方向。随后光线98b经输出面94 射出。提取器90的形状或周边的俯视图可以显示出多种形状，包括矩形、 梯形、派形、半圆形或它们的任何组合。
图9是另一种楔形提取器100的示意性侧视图。提取器100具有输入 面102、输出面104和侧面106。提取器100可以具有将提取器90绕竖直的 轴旋转而成的形状，该竖直的轴与侧面96a重合。在一些情况下，该提取器 可以通过将复合构造的两个提取器90在它们各自的侧面96a处连接而制成。 在一种不同的复合构造中，虚线108表示在组成提取器100的截然不同的光 学主体之间可能的界面或边界。
与提取器90相似，提取器100的输入和输出面102、 104被设置为彼 此基本上呈卯度的角度。来自LED并且进入输入面102的光在侧面106反 射(无论是通过全内反射还是在反射性材料或涂层的帮助下，未示出)，而 且方向改变为大约侧边的方向，随后经输出面104离开。从俯视图(未示出) 看，提取器IOO的形状可以是包括(例如)多边形(如正方形或矩形)、圆 形或椭圆形的多种形状中的任何一种。使用圆形和椭圆形的形状或周边，可 改变进入输入面102的光的方向，使其形成输出光的环。
上述实施例只代表了众多可能的提取器形状和构造的其中一些。无论 选择哪种形状或构造，从制造的角度来看，以阵列的形式制造提取器是理想 的。所述阵列使得可以方便地同时操纵和加工大量的小提取器，如，如果需 要对提取器的表面进行抛光以便更好地与LED晶粒耦合。阵列中的提取器也可以设计为选择的构造和间距，以基本匹配LED阵列的构造和间距，使 得提取器阵列可以对准并接合到LED阵列，以同时制备大量(优选地，数 十或数百个)LED/提取器对。
图IO示意性地示出了代表性的提取器阵列IIO，该阵列与LED阵列120 匹配。提取器阵列IIO包括多个保持在一起的提取器112，它们以固定空间 关系保持在一起，例如具有连续基体层114。选择该固定的空间构造是为了 匹配LED阵列120上的LED的空间构造，如下所述。提取器阵列110可以 是单体，其中提取器112和基体层114由相同的透光性材料组成，该阵列也 可以为非单体，其中基体层114由不同于提取器112的材料(无论是否透光) 组成。此外，提取器112本身可以具有以上讨论的复合构造。提取器112显 示为与图1的提取器IO相似的锥形形状，但是它们还可以代表上述的任何 其它的提取器形状和构造。
显著的是，每个提取器均具有输入面112a，该输入面适于与对应的LED 晶粒的输出面光学耦合。优选地，这是通过确保提取器输入面的外部尺寸与 LED发射面的外部尺寸基本匹配，和/或通过确保提取器输入面的轮廓与 LED发射面的轮廓基本匹配来完成。通常，LED的发射面是在指定公差范围 内平坦而光滑的，并且在这种情况下提取器的输入面也是在相同或相似公差 范围内平坦而光滑的。
2004年10月29日提交的共同转让的美国专利申请10/977,239 (欧德 柯克(Ouderkirk)等人)(代理人案巻号60203US002)以及2005年11月22 曰提交的11/288,071 (莱热达尔(Leatherdale)等人)(代理人案巻号 60914US002)中公开了一些制备用于LED的提取器阵列的方法。作为另外 一种选择，如果阵列具有下述的高折射率玻璃材料，那么优选地至少在部分 程度上通过使玻璃粒子变形来制备阵列，并且可选地在适合的模具中应用热 和压力聚结单个玻璃粒子以形成更大的粒子或主体。与本申请同一天提交的 共同转让的美国专利申请(名称为"Methods of Making LED Extractor Arrays" (制备LED提取器阵列的方法))(代理人案巻号62114US002)中公开了这种模制技术。
优选地，LED阵列120是使用常规半导体加工工序加工的固态晶片， 以形成能够产生光的p-n结等，使得经过切割(如通过锯切或切片)可以形 成具有发射面122a的单个LED晶粒122。因此，如上所述，LED阵列可以 包括选择用于批量制造LED的截然不同的层的叠堆，例如陶瓷或半导体基 底、覆盖、外延层和/或掺杂质的层。用来给单个LED供电的图案化电触点 也可以包括在阵列120上。也可以将LED阵列120称为"晶片"，因为它 通常是薄而且相对刚性的，并且一般是圆的。晶粒122可以在该晶片表面上 以任何所需的方式来布置，如以行和列的方式布置。该晶片区域内可以容纳 数十或数百个单个的晶粒122。因此优选的是将相同数量的提取器112布置 在提取器阵列110上。
在图IO描述的方法中，初始分离的阵列110、 120互相对准，优选地 提供提取器与LED晶粒的一一对应关系。然后将分离对准的阵列接合在一 起，可选地使用适合的透光性粘结材料，诸如光学粘合剂或低Tg的密封玻璃、 或经反应粘结、或通过任何其它适用的技术。如果需要，可以通过(例如) 切割或切片将晶片或阵列120分割，以显露单个的LED晶粒122。根据预期 应用，还可以将提取器阵列120分割，以使得单个的LED晶粒/提取器对可 以根据需要单独地装配在散热器或其它基底上。分割可以是通过切割或折断 基体层114，该基体层的上表面可以变为提取器112的输出面。如果通过切 割实现分割，与切割LED阵列120相同的切割操作可以同时切割提取器阵 列110 (如果提取器的尺寸适宜)。在另一种可供选择的方法中，如果两者 使用的是不同的材料，那么可以简单地将基体层移除，如通过将提取器从基 体层分开。基体层的移除随后将暴露提取器112的上表面，该表面可以根据 设计成为每个提取器的输出面。在另一种方法中，可以使基体层114朝下将 提取器阵列粘结到LED阵列，S卩，通过重新布置提取器阵列和LED阵列， 以使得LED发射面接触基体层114，同时对准提取器112。在这种情况下， 表面112a可以成为输出表面，并且基体层暴露的主表面可以成为提取器的 输入面。高折射率玻璃
如上所述，为了提高LED光源的效率，本发明所公开的提取器有利地 由选择的玻璃或玻璃陶瓷材料组成，这些材料的折射率至少为2，优选地至 少为2.1、 2.2或2.3或更高。高折射率晶体材料(诸如碳化硅或金刚石)已 经被建议用作LED提取器，但是这些材料与模制技术不相容，并且将这些 材料加工为小份(例如提取器)的工序趋于繁重、耗时并且昂贵。还建议了 一些可得自光学玻璃制造商的常规的玻璃材料，尽管这些材料的折射率高于 典型的LED胶囊包封树脂，但是却通常低于2。
一些基于(例如)Ti02、 Nb205和Ta205的高折射率玻璃(如n》2) 是已知的。参见(例如)美国专利3,946,130 (唐(Tung))以及TopolL.E. et al， "Formation of new oxide glasses by laser spin melting and free fall cooling", J. Non-Crystal.Solids， 12 (1973)， 377-390 (托珀等人在1973年12月《非晶体固 体》杂志377-390页上发表的"通过激光旋转熔融和自由下降冷却形成新型 氧化物玻璃")。这些玻璃可以包含小于20重量％的Si02、 20重量％的B203 和40重量％的？205。然而，直到最近，已知这些玻璃仅有微珠、薄片和其 它微粒形式，即具有严格受限的尺寸。这些尺寸上的限制使得这些玻璃不适 合用作LED提取器，LED提取器虽然小，但是通常并非微观，并且通常具 有至少一个大约为几(如，从1至10、或1至5、或1至3、或1至2)毫 米的维度。令人吃惊的是，已发现制备基于(例如)Ti02的块状玻璃是可能 的，使得能够形成大的、毫米的和上述尺寸的玻璃制品。这是通过在高于玻 璃化转变温度的温度下的粒子固结步骤完成的。发现这些玻璃可以在显著的 结晶(Tx)发生之前经受玻璃化转变(Tg)。这允许从相对小片的玻璃批量制造任 何尺寸的制品。例如，通过将玻璃或包含玻璃的粒子(包括(例如)通过压 碎获得的小珠、微球、纤维和粉末)加热到lg之上，使得玻璃或包含玻璃的 粒子等聚结以形成所需的形状，并且以聚结的形状冷却以形成制品。在一些 情况下，加热在从约50(TC至约100(TC范围内的至少一个温度下进行。
通过上述的固结方法，除TiCh-、 Nb205-和Ta20s-基玻璃外，还已经获得了许多Ab03-基块状玻璃。Al203可以赋予玻璃很高的机械和化学耐用性， 适合许多非光学的用途，例如金属切割工具、牙齿修复剂等。但是，A1203 相对低的折射率(约1.7)使得要形成折射率为2或大于2的玻璃是不现实 的。
本专利申请确定了一类能够显示具有至少为2的折射率而且适合用作 LED提取器的玻璃(包括玻璃陶瓷)材料。由于这些材料至少最初为玻璃， 因此可以以相对简单和快速的工序将它们模制或换句话讲变形或聚结，以形 成精确成形的提取器，包括提取器阵列。这些材料的结晶温度Tx优选地高于 它们的玻璃化转变温度Tg至少5'C，以提供足够的加工窗口，用来模制、变 形或聚结材料的粒子。
这些优选的玻璃中的一些已经在印刷出版物或其它文献中公开用于其 它的应用，但是这些文献没有公开这些玻璃可以显示具有高达2和2以上的 折射率，也没有公开这些玻璃可以用来制造用于LED的提取器。所述文献 实际上公开了种类更多的玻璃(本文称之为"非常规玻璃")，它们包含小 量的常规玻璃形成物，而且我们已经发现这些玻璃中的一些显示具有罕见的 高折射率并且适合用作LED提取器。非常规玻璃由(例如)低于20 (或15、 10、 5、 3、 2或1)重量％的Si02、低于20 (或15、 10、 5、 3、 2或1)重 量％的B203以及低于40 (或30、 20、 10、 5、 3、 2或1)重量％的P205组 成。在一些情况下，所述非常规玻璃包括的整个As203、 Bi203、 Ge02、 NaO、 Te02、 V205、 Si02、 8203和P205化合物群组在玻璃预型体总重量基础上， 低于20 (或10、 8、 5、 3、 2或1)重量％。与大量使用这些常规玻璃的形成 物相反，非常规玻璃至少包含两种不同的金属氧化物，如下面的进一步解释。 优选地，Tg和Tx相差至少5°C，即Tx》Tg + 5°C。
在非常规玻璃(而且因此也可能在优选的高折射率玻璃)中使用的至 少两种金属氧化物可以包括(例如)A1203; Ti02;稀土氧化物(REO)，诸如 Ce02、 Dy203、 Er203、 Eu203、 Gd203、 Ho203、 La203、 Lu203、 Nd203、 Pr6Ou、 Sm203、 Tb203、 Th407、 Tm203和Yb203; Zr02, Hf02、 Ta205、 Nb205、 Bi203、W03、 V205、 Ga203,以及碱土金属氧化物，诸如CaO禾口BaO。可用的金属 氧化物的示例性组合包括REO-Ti02、 REO-Zr02-Ti02 、 REO-Nb205 、 REO-Ta205、 REO-Nb205-Zr02、 REO-Ta205-Zr02、 CaO-Nb205、 CaO-Ta205、 BaO-Ti02 、 RE0-A1203 、 REO-Al203-Zr02 、 REO-Al203-Zr02-Si02和 SrO-Al203-Zr02。可用的玻璃制剂包括达到或接近共晶组成的那些。
进一步的讨论和关于这些非常规玻璃的教导内容，参考美国专利公 布US 2003/0126803 (罗森弗兰兹(Rosenflanz))(代理人案巻号 56400US004) ; PCT专利公开WO 03/011776 (罗森弗兰兹(Rosenflanz))(代 理人案巻号56938WO003);美国专利公布US 2005/0065013 (代理人案巻 号58807US002) ; 2005年11月14日提交的美国专利申请序列号11/273,513 (代理人案巻号61351US002)。另外参考美国专利2,150,694 (莫瑞 (Morey)) ; Topol et al" "Formation of new oxide glasses by laser spin melting and free fall cooling" , J. Non-Crystal. Solids, 12 (1973)， 377-390 (托珀等人在 1973年第12期《非晶体固体》杂志377-390页上发表的"通过激光旋转熔 融和自由下降冷却形成新型氧化物玻璃")；Topol， "Formation of new lanthanide oxide glasses by laser spin melting and free-fall cooling" , J. Non-Crystall.Solids， 15 (1974), 116-124 (托珀在1974年第15期《非晶体固 体》杂志116-124页上发表的"通过激光旋转熔融和自由下降冷却形成新型 镧系元素氧化物玻璃");Shishido等人，"Ln-M-0 glasses obtained by rapid quenching using laser beam" ， J. Mater. Sci" 13 (1978)， 1006-1014 (宍户等人 在1978年第13期《材料科学》杂志1006-1014页上发表的"通过使用激光 束的快速骤冷获得Ln-M-0玻璃")；Tatsumisago，" Infrared Spectra of Rapidly Quenched Glasses in the Systems, Li20-RO-Nb205 (R=Ba， Ca, Mg)"， J,American Ceram. Soc., 66 Vol.2, (1983)， 117-119 (辰巳在1983年第2巻《美 国陶瓷》杂志117-119页上发表的"Li20-RO-Nb205 (R=Ba, Ca， Mg)体系中 快速淬火玻璃的红外光谱")。
优选的玻璃组合物包含比常规玻璃相对低的含量的典型玻璃形成物， 诸如SiCh和B203。 Tg和Tx (至少5°C)之间工艺窗口的成分控制允许在非常规玻璃形成氧化体系中批量制备折射率为约2.0或更大的玻璃和玻璃陶 瓷。
一般来讲，可以通过加热适当的金属氧化物源以形成熔融物，有利地 是均一化熔融物，然后将熔融物冷却以形成玻璃，来制备优选的玻璃(包括 玻璃陶瓷)。 一些玻璃材料的实施例可以(例如)通过在任何适合的熔炉(如 感应受热熔炉、燃气熔炉或电炉)中或在(例如)火焰或等离子中熔融金属 氧化物源来制备。使所得的熔融物流入多种冷却介质(诸如高速喷气流、液 体、石墨或金属板(包括冷却板)、金属辊(包括冷却金属辊)、金属球(包 括冷却金属球)等等)中的任何一种以使其冷却。
在一种方法中，可以利用(例如)美国专利6,254,981 (卡索尔)中公 开的火焰熔化来制备优选的玻璃。简而言之，金属氧化物源材料制作为粒子 形状，有时称为"进料粒子"。通常通过研磨、附聚(如喷雾-干燥)、熔融 或烧结金属氧化物源来形成进料粒子。投入火焰中的进料粒子的尺寸大致确 定了所得的非晶态粒子材料的尺寸。直接将进料粒子投进喷焰器，诸如甲烷 -空气喷焰器、乙炔-氧气喷焰器、氢-氧气喷焰器等等。随后在(例如)水、 冷却油、空气等中对这些材料进行淬火。
适用于形成熔融物、冷却/淬火金属和/或形成玻璃的其它技术包括蒸汽 相骤冷、等离子喷涂、熔融-抽拉、气体或离心雾化、合适前体的热(包括火 焰或激光或等离子辅助)高温分解、金属前体的物理蒸汽合成(PVS)、等离 子方法和机械化学加工。
据信冷却速率会影响淬火的非晶态材料的特性。例如，玻璃化转变温 度、密度和其它通常会随冷却速率改变的玻璃特性。还可以在受控的气氛中， 例如还原、中性或氧化环境中进行快速冷却，以在冷却过程中保持和/或影响 所需的氧化态等。该气氛还可以通过影响过冷却液体的结晶动力特性来影响 玻璃的形成。可以使用任何适当的方法使所述优选的高折射率玻璃形成提取器。例 如，可以通过提供具有底部表面、大于底部开口的顶部开口和至少一个侧面 的模具来制备提取器。可以根据上述方法，如使用至少两种金属氧化物和小 于20重量％的B203、小于20重量％的Si02和小于40重量％的？205来制备 熔融物。将熔融物冷却以形成玻璃体(如球体、微球、纤维、不规则形状颗 粒等)。这些玻璃体将具有Tg和Tx，其中Tx大于Tg至少5'C。
将所述玻璃体置于所述模具内，并且在约50(TC和约IOO(TC下，施加 约O.lMPa和约100MPa之间的压力，时间为约1秒到约100分钟，以使玻 璃完全填满模具。形成提取器之后，将其从模具中移除。通过提供空腔阵列 和连接提取器的基体层，还可以在模具中形成这些提取器的阵列。
作为另外一种选择，上述所制备的熔融物可以在具有提取器形状的模 具内直接冷却形成提取器，随后从模具移除。可以根据美国专利申请公开 US 2004/0148967 (赛利卡亚(Celikkaya)等人)(代理人案巻号58257US002) 中的描述来实施此方法。还可以将熔融物直接冷却形成透明的晶体提取器， 前体条件是相同的材料在制备成为玻璃时显示具有Tg和Tx，并且Tg和Tx 相差至少5'C，从而可以通过固结形成块状玻璃体。
在其它情况下，可以将上述所制备的熔融物冷却成为玻璃体(如板、 棒、条等)，随后将这些玻璃体切割成为提取器。
还可以对优选的高折射率玻璃进行热处理，使其至少部分结晶，以形 成玻璃陶瓷。使玻璃形成玻璃陶瓷的热处理是本领域己知的，并且对于多种 玻璃，成核和生长玻璃陶瓷的加热条件是已知的。可以通过多种方式(包括 例如电阻、感应或气体加热炉)中的任何一种来进行热处理。作为另外一种 选择，可以使用回转窑、流化床炉或摆式窑连续地进行热处理。通常，玻璃 陶瓷的折射率比形成它们的玻璃的折射率高，因此对本发明所公开的提取器 应用是有益的。此外，可以(例如)通过玻璃转化为晶体玻璃陶瓷相的程度 来调整材料的折射率。作为另外一种选择或除此之外，还可以通过这样的结晶处理来影响材料的强度。
适于制造提取器的高折射率玻璃的实例表格
制备或换句话讲获得了能够形成或成形为(诸如)提取器等实体的多 种非常规玻璃的样本，并且测量了它们的折射率。还记录了与它们作为LED 提取器的适宜性相关的其它特性。
图11A-B示出的表格提供了结果。这些表格列出了总共56种玻璃样本， 其中每种都具有独特的组成。玻璃样本1到52及其制造方法，已经在上述 参考的印刷出版物或专利申请之一中有所描述，在表格的第二和第三列有标 明。(玻璃样本53到56是由相似的工艺但是不同的组成所制备的。)随后 的10列按照表明的金属氧化物的重量百分比列出了每个玻璃样本的组成。 随后的两列示出了玻璃样本的玻璃化转变温度Tg和结晶温度Tx。某些玻璃 样本的这些参数值没有列出，这是因为没有记录或没有仔细地测量。然而， 对于列出的56种玻璃样本中的每一种，结晶温度Tx至少比玻璃化转变温度 Tg高5'C。随后的一列以"nl"标明，是玻璃组合物在火焰成形之后的折射 率。最后一列(最右侧)，以"n2"标明，是玻璃组合物在热处理之后(即 转化为玻璃陶瓷之后)的折射率。如果这一列的值为空，表明没有对具体的 样本进行热处理。折射率nl和n2是使用[仪器？]在[ ]波长处测得的。
仔细查看该表格，可确认只有某些非常规玻璃能够达到2或更高的折 射率。这些玻璃样本(编号14、 16-17、 19-25和27-56)在第一列以阴影标 明。它们中的大部分(玻璃样本16-17、 19-25和27-56)能够达到2.1或更 高的折射率。其中较少数(玻璃样本16-17、 22、 24-25、 27-28和31-53)能 够达到2.2或更高的折射率。玻璃样本16-17、 25和31-52能够达到2.3或更 高的折射率。玻璃样本31-34、 36、 48和50-52可以达到2.4或更高的折射 率。
对表格的分析表明，作为一类材料，Al203基玻璃显示具有1.75和1.95 之间的折射率，较高折射率的组合物(n > 2)通常包括含量升高的诸如Zr02、Ti02、 Nb205、 丁205和REO之类的组分。
概括地说，我们已经示出了如何使用适合的组合物，将玻璃制成LED 适用的玻璃提取器和提取器阵列，这些提取器具有至少为2、 2.1、 2.2、 2.3 或2.4的高折射率。
除非另外指明，在说明书和权利要求中使用的表示部件的尺寸、数量 和物理特性的所有数字应当被理解为由词语"约"来修饰。因此，除非有相 反的指示，在上述说明书和所附权利要求中所提出的数值参数为近似值，可 根据本领域内的技术人员利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性 而变化。
上述具体实施方式
为示例性的，并非旨在限制本发明的范围。本 文所公开的实施例可能存在变体及修改形式，本领域的普通技术人员 研究本专利文档后可以理解实施例中多种元件的实际替代物和等同 物。在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可实施本文所公开的实 施例的这些和其它变型以及修改形式。本文提到的所有专利和专利申 请全文以引用方式并入本文，不符合上述说明书的情况除外。
权利要求
1. 一种适用于LED晶粒的提取器，包括适于与LED晶粒的发射面光学耦合的输入面；以及布置为使经所述输入面进入光学元件的光发射出去的输出面；其中所述光学元件包括折射率至少为2.0的光学玻璃。
2. 根据权利要求1所述的提取器，其中所述光学玻璃的折射率在所 述LED晶粒发射的光的波长处至少为2.2。
3. 根据权利要求1所述的提取器，其中所述提取器为以固定空间关 系保持在一起的提取器阵列中的一个提取器。
4. 根据权利要求1所述的提取器，其中所述提取器阵列包括适于将 所述提取器以所述固定空间关系保持的基体层。
5. 根据权利要求1所述的提取器，其与具有所述发射面的所述LED 晶粒结合。
6. 根据权利要求5所述的提取器，其中所述LED晶粒为以固定空间 关系保持在一起的LED晶粒阵列中的一个晶粒，并且所述提取器为基本上 以相同的固定空间关系保持在一起的提取器阵列中的一个提取器。
7. 根据权利要求6所述的提取器，其中所述提取器阵列粘结到所述 LED晶粒阵列。
8. 根据权利要求1所述的提取器，其中所述光学玻璃包括至少两种 金属氧化物和低于20重量％的B203、低于20重量％的Si02以及低于40重 量％的P205。
9. 根据权利要求8所述的提取器，其中所述光学玻璃包括低于20重量％的8203、 Si02和P20s群组。
10. 根据权利要求8所述的提取器，其中所述金属氧化物中的一种为 稀土氧化物或碱土氧化物。
11. 根据权利要求8所述的提取器，其中所述金属氧化物中的一种为 Al2。3或Ti02。
12. 根据权利要求1所述的提取器，其中所述光学玻璃具有玻璃化转 变温度Tg和结晶温度Tx，并且其中Tx比Tg高至少5'C。
13. 根据权利要求1所述的提取器，其中所述提取器包括至少两种截 然不同的光学主体，其中第一光学主体包括所述光学玻璃，第二光学主体包 括第二光学材料。
14. 根据权利要求1所述的提取器，其中所述第二光学材料为折射率 低于最初提到的光学玻璃的折射率的第二光学玻璃。
15. 根据权利要求13所述的提取器，其中所述光学玻璃设置在所述提 取器的输入面。
16. 根据权利要求1所述的提取器，其中所述光学玻璃为玻璃陶瓷材料。
17. 根据权利要求1所述的提取器，其中所述输入面的表面粗糙度小 于50纳米(nm)。
全文摘要
一种LED提取器，具有适于与LED晶粒的发射面光学耦合的输入面，并且由折射率为至少2或至少2.2的玻璃(包括玻璃陶瓷)材料构成。
文档编号G02B27/09GK101438201SQ200780015986
公开日2009年5月20日 申请日期2007年4月17日 优先权日2006年5月3日
发明者凯瑟琳·A·莱瑟达勒, 埃米·S·巴尔内斯, 安德鲁·J·乌德科克, 肯顿·D·巴德, 阿纳托利·Z·罗森夫兰茨 申请人:3M创新有限公司